CN103213257A

CN103213257A - 一种无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置及成型方法

Info

Publication number: CN103213257A
Application number: CN2013101211607A
Authority: CN
Inventors: 蒋炳炎; 刘小超; 彭华建; 张胜; 李林; 胡伟平
Original assignee: Central South University
Current assignee: Central South University
Priority date: 2013-04-09
Filing date: 2013-04-09
Publication date: 2013-07-24

Abstract

本发明公开了一种无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置及成型方法，注射部分包括注射电机、丝杠、注射推板和连杆；超声振动系统包括超声波发生器、换能器、变幅杆和工具头；注射模具开设有塑化孔、分流道及型腔；进料系统包括料斗和支架；合模顶出系统包括合模液压缸、顶出液压缸、上模固定板、下模固定板和顶杆。本发明通过超声振动施加于聚合物颗粒过程中的摩擦生热和粘弹性生热作用，将固态的聚合物熔融为液态，同时超声波在聚合物液体中的空化作用降低了表观粘度，改善了加工过程中的短射或充填不足现象，能够很好地进行微小塑料器件的注射成型，降低了能耗和工艺的控制难度，提高了设备的经济性，生产成本降低。

Description

一种无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置及成型方法

技术领域

本发明涉及一种无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置及方法，属于微注射成型领域。

背景技术

随着MEMS技术的发展以及微小元器件的大规模应用，微注射成型技术在近年来被越来越多的关注。微量聚合物注射成型的注射量小（一般仅为几毫克），成型过程中流道浅、型腔小，微量熔体在充填过程中冷却快，流动阻力大，充填困难，易出现充填不足等缺陷。人们采用提高模具温度、注射速度和注射压力等调节生产工艺的手段，试图改善这些缺陷，然而这些方法同时也带来成型周期加长、设备成本高、能耗大、产品质量不良等问题，大大降低了产品经济性。

国内外部分专利采取了在常规注塑机上辅助超声振动的方式，将超声波引入注射过程，比如将超声波加在模具^[1～7]、流道^[8～10]、塑化腔^[11]等处，这些方式虽然同样达到了降低粘度的效果，但由于其采用螺杆熔融塑化，存在小螺杆的制造困难、螺杆过小导致难以塑化聚合物颗粒、主流道废料严重等问题，不适于微量聚合物的熔融塑化，不利于微制件成型和成本的降低。申请人对聚合物超声塑化过程进行了研究，并申请了超声塑化流变装置^[12]，但是该装置仅具有超声塑化大量聚合物的功能，并无利用超声塑化微量聚合物并注射成型的功能，与本专利所涉及装置的功能和方法不同。José Fernando BASFERRERO等^[13]申请了超声振动成型装置，但是结构太过复杂，不利于装置成本的降低和整机集成。本专利提及的装置和方法与这些专利涉及的方法相比，具有适于微量聚合物塑化和注射成型、低成本、控制难度降低等优点。

参考文献

[1]3M Innovative Properties Company.Ultrasonic injection molding on a web:EP,2444225A3[P].2012-8-19；

[2]于同敏，祝思龙，包成，黄晓超，罗寿萍.基于超声外场作用的控制精密注塑制品成型收缩的装置及方法：中国，CN102615797A[P].2012-08-01；

[3]Tetsuya Iida,Noriyoshi Shida,Keiji Suga,Kenichi Ishiguro,Yasunobu Higashika,Atsushi Sato,Kunitoshi Katagiri.Ultrasonic injection mold for an opticaldisk:US,6464485.2000-06-03;

[4]Toshihiro Furusawa,Atsushi Satoh,Takashi Nakajima,Noriaki Matsugishi.Method forinjection molding into a resonating mold:EP,0351800A2[P].1990-1-24

[5]Kazuo INOUE，Hiroyoshi Minooka，Kiyohiro SAITO，Atsushi Sato.Moldingmethod and molding device utilizing ultrasonic vibration and opticallens:EP,1621315A1[P].2003-04-25;

[6]李积彬林新波彭太江伍晓宇徐可可.一种超声波辅助注射成型模具及其成型方法:中国专利，200910108874.8[P].2009-08-04;

[7]郭少云陆昶徐小峰.改善聚合物注射件融合缝力学性能的方法及注射件模具:中国专利，200410081232.0[P].2004-11-15

[8]Jean-Francois Astier,Louis Bessaguet,Michel LaPlanche.Vibration-aided feed devicefor a molding apparatus:US,4,500,280[P].1983-07-13;

[9]蒋炳炎李常峰胡建良彭华建.一种改善注射成型过程聚合物填充性能的方法及注射件模具:中国专利，200910043702.7[P].2009-06-18;

[10]Peter Stewart Allan,Andrew Mark Holden.Apparatus and method forimproving the flow characteristics of injection molding or extrusionmaterial using ultrasonic vibration:US,2006/0165832A1[P].2002-09-13;

[11]Ronald M.Eicher,Mitchell L.Whitted.Ultrasonic Injection Molding:US,6361733[P].1999-09-22

[12]蒋炳炎吴旺青楚纯朋沈龙江彭华建.一种利用超声频振动实现聚合物熔融塑化的测试装置:中国专利，200810031054.9[P].2008-04-11

[13]José Fernando BAS FERRERO,Encarnación ESCUDERO

Pedro Luis

Francisco Javier

TORRALBA,Francesco Puliga,M^a EugeniaRODRIGUEZ SIERRA,Andrés SANCHO DESCALZO.Ultrasonic device for moulding microplastic parts:EP,2189264B1[P].2012-5-16.

发明内容

本发明所要解决的第一个技术问题是提供一种设备成本低、注射成型质量高、生产成本低的无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置。

本发明所要解决的第二个技术问题是提供该无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置的成型方法。

为了解决上述第一个技术问题，本发明所采用的无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置，包括注射部分、超声振动系统、注射模具、进料系统和合模顶出系统，所述的注射部分包括注射电机、电机固定板、滚珠丝杠、注射推板、振子安装板、连杆和导杆；所述的超声振动系统的机械部分包括换能器、变幅杆和工具头，所述的注射模具的塑化衬套开设有塑化孔，内部开设分流道及型腔；所述的进料系统包括料斗和支架；所述的合模顶出系统包括合模液压缸、顶出液压缸、上模固定板、下模固定板和顶出杆，机身上设有所述的下模固定板、合模液压缸和顶出液压缸，所述的注射模具的下模固定安装在所述的下模固定板上；所述的合模液压缸的活塞杆与上模固定板相连，所述的顶出液压缸的活塞杆兼作所述的顶出杆与所述的注射模具对接，所述的注射模具的上模固定安装在所述的上模固定板上；所述的料斗通过所述的支架安装在所述的上模固定板上，所述的上模固定板上设有所述的导杆，所述的注射推板和所述的振子安装板中滑动套装在所述的导杆上，所述的注射推板与所述的振子安装板之间连接有所述的连杆，所述的导杆上端固定有所述的电机安装板，所述的电机安装板上固定安装有所述的注射电机，所述的注射电机的主轴连接所述的滚珠丝杠，所述的滚珠丝杠与所述的注射推板传动连接，所述的超声振动系统安装在所述的振子安装板上，所述的工具头为圆柱形且插入所述的注射模具的塑化孔内。

所述的注射推板和振子安装板中安装有导套，所述的导套滑动套装在所述的导杆上，所述的导杆与所述的导套之间为间隙配合。

所述的注射模具的塑化衬套与所述的工具头之间为间隙配合。

为了解决上述第二个技术问题，本提供的使用无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置的成型方法，包括以下步骤：

第一步，开启合模顶出系统使注射模具闭合；

第二步，通过进料系统将聚合物物料加入注射模具的上模塑化孔之中；

第三步，开启注射电机推动振子安装板下移，开启超声振动系统，利用超声波振动熔融塑化聚合物；

第四步，成型后待聚合物制件冷却；

第五步，利用合模顶出系统完成模具开模和制件顶出。

所述的超声振动系统的超声波发生器工作频率为15～40KHz，功率为0～1000W，所述的工具头振幅为10～100μm。

采用上述技术方案的无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置及成型方法，能够降低聚合物充填过程中的粘度，使聚合物更易充满微型腔，而且能耗与现有的微注射成型相比大大降低，具有良好的市场前景。克服了聚合物微注射成型中产品易出现短射、充填困难以及现有微注射成型机高能耗、设备经济性不高等缺陷。

本发明有以下优点：

1、采用由超声波发生器驱动的工具头，通过其高频振动熔融塑化聚合物，替代螺杆塑化聚合物的方式。由于不存在加工复杂的螺杆，降低了设备成本。

2、利用超声波提高聚合物分子活化能、降低充填过程中粘度的特性，改善了加工过程中的短射或充填不足现象，能够很好地进行微小塑料器件的注射成型。

3、由于充填难度降低，加工时的模具温度、注射速率、注射压力都大大降低，降低了能耗和工艺的控制难度，提高了设备的经济性，生产成本降低。

综上所述，本发明是一种设备成本低、注射成型质量高、生产成本低的无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置及成型方法。

附图说明

图1是超声波熔融塑化聚合物注射成型装置结构示意图。

图2是超声波熔融塑化聚合物注射成型装置的侧向视图。

图3是模具结构图。

图4是超声振动系统机械部分结构图。

具体实施方式

下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。

参见图1，包括注射部分、超声振动系统、注射模具、进料系统和合模顶出系统，注射部分包括注射电机1、电机固定板8、滚珠丝杠2、注射推板9、振子安装板11、连杆14和导杆3；超声振动系统的机械部分由风扇22、外壳26、换能器19、变幅杆23和工具头21组成，注射模具的塑化衬套17开设有塑化孔15，内部开设分流道16及型腔18；进料系统包括料斗4和支架5；合模顶出系统包括合模液压缸7、顶出液压缸25、上模固定板11、下模固定板12和顶出杆13，机身6上设有下模固定板12、合模液压缸7和顶出液压缸25，注射模具的下模固定安装在下模固定板12上；合模液压缸7的活塞杆与上模固定板11相连，顶出液压缸25的活塞杆兼作顶出杆13与注射模具对接，注射模具的上模固定安装在上模固定板11上；料斗4通过支架5安装在上模固定板11上，上模固定板11上设有导杆3，注射推板9和振子安装板10中安装有导套24，导套24滑动套装在导杆3上，导杆3与导套24之间为间隙配合，注射推板9与振子安装板10之间连接有连杆14，导杆3上端固定有电机安装板8，电机安装板8上固定安装有注射电机1，注射电机1的主轴连接滚珠丝杠2，滚珠丝杠2与注射推板9传动连接，超声振动系统安装在振子安装板10上，工具头21为圆柱形且插入注射模具的塑化孔15内与模具的塑化孔15配合，在塑化孔15中运动，实现聚合物的塑化和注射，工具头21与塑化衬套17之间为间隙配合。

本发明利用无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型方法，其原理是利用超声波频率高、能量集中的特点，通过超声振动施加于聚合物颗粒过程中的摩擦生热和粘弹性生热作用，将固态的聚合物熔融为液态，同时超声波在聚合物液体中的空化作用降低了表观粘度，提高了聚合物大分子的活化能并诱导大分子解缠，降低了充填难度，实现了在一定的注射速度和注射压力下聚合物的注射成型。

图1为超声波熔融塑化聚合物注射成型装置结构示意图。聚合物颗粒原料置于料斗4之中，料斗4中有控制进料的装置，从而控制聚合物颗粒的进料，料斗4与支架5固定，支架5与上模固定板11固定。

超声波发生器工作在一定频率（15～40KHz）下，驱动换能器19，使换能器产生高频振动，振动经变幅杆23和工具头21放大，达到能够进行加工的量级（10～100μm）后，通过工具头21端面作用于聚合物颗粒，进而将聚合物由固态融化为液态。注射电机1使滚珠丝杠2转动，滚珠丝杠2将旋转运动转化为直线运动，使注射推板9在竖直方向运动，注射推板9通过连杆14与振子安装板10连接，使振子安装板10在竖直方向运动。振子安装板10上固定有超声振动系统的机械部分，因此工具头21相对塑化孔15在竖直方向运动，实现聚合物流体的塑化和注射过程。

上模固定板11与合模液压缸7的活塞杆连接，通过活塞杆的竖直运动，实现开合模动作。上模固定板11上开设有多个螺纹孔和通孔，与模具压板连接，从而固定上模。下模固定板12上开设有多个螺纹孔和通孔，与模具压板连接，从而固定下模。

本发明用于无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置的注射模具，与用于一般注射成型模具结构类似，不同之处在于塑化衬套17与工具头21之间为间隙配合。塑化衬套17中的塑化孔15用于容纳聚合物颗粒，同时作为塑化、注射过程的主要工作空间。塑化孔15与分流道16连接，分流道16末端为适当的浇口和型腔18。

使用无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置的成型方法，包括以下步骤：

第一步，开启合模顶出系统的合模液压缸7使注射模具闭合；

第三步，开启注射电机1推动振子安装板10下移，开启超声振动系统，超声振动系统的超声波发生器工作频率为15～40KHz，功率为0～1000W，工具头21振幅为10～100μm，利用超声波振动熔融塑化聚合物；

第四步，成型后待聚合物制件冷却；

第五步，利用合模顶出系统的顶出液压缸25完成模具开模和制件顶出。

实施例1

开启合模液压缸使注射模具闭合，将Abs加入进料孔，开启注射电机使超声工具头下移，超声振动系统频率为20Khz，超声波发生器工作功率为500W，工具头振幅为20μm，待聚合物塑化成型后，开启顶出液压缸，完成制件顶出。

实施例2

开启合模液压缸使注射模具闭合，将PC加入进料孔，开启注射电机使超声工具头下移，超声振动系统频率为20Khz，超声波发生器工作功率为750W，工具头振幅为50μm，待聚合物塑化成型后，开启顶出液压缸，完成制件顶出。

实施例3

开启合模液压缸使注射模具闭合，将PMMA加入进料孔，开启注射电机使超声工具头下移，超声振动系统频率为30Khz，超声波发生器工作功率为750W，工具头振幅为50μm，待聚合物塑化成型后，开启顶出液压缸，完成制件顶出。

以上描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解。本发明不受上述施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置，包括注射部分、超声振动系统、注射模具、进料系统和合模顶出系统，所述的注射部分包括注射电机（1）、电机固定板（8）、滚珠丝杠（2）、注射推板（9）、振子安装板（11）、连杆（14）和导杆（3）；所述的超声振动系统的机械部分包括换能器（19）、变幅杆（23）和工具头（21），所述的注射模具的塑化衬套（17）开设有塑化孔（15），内部开设分流道（16）及型腔（18）；所述的进料系统包括料斗（4）和支架（5）；所述的合模顶出系统包括合模液压缸（7）、顶出液压缸（25）、上模固定板（11）、下模固定板（12）和顶出杆（13），其特征是：机身（6）上设有所述的下模固定板（12）、合模液压缸（7）和顶出液压缸（25），所述的注射模具的下模固定安装在所述的下模固定板（12）上；所述的合模液压缸（7）的活塞杆与上模固定板（11）相连，所述的顶出液压缸（25）的活塞杆兼作所述的顶出杆（13）与所述的注射模具对接，所述的注射模具的上模固定安装在所述的上模固定板（11）上；所述的料斗（4）通过所述的支架（5）安装在所述的上模固定板（11）上，所述的上模固定板（11）上设有所述的导杆（3），所述的注射推板（9）和所述的振子安装板（10）中滑动套装在所述的导杆（3）上，所述的注射推板（9）与所述的振子安装板（10）之间连接有所述的连杆（14），所述的导杆（3）上端固定有所述的电机安装板（8），所述的电机安装板（8）上固定安装有所述的注射电机（1），所述的注射电机（1）的主轴连接所述的滚珠丝杠（2），所述的滚珠丝杠（2）与所述的注射推板（9）传动连接，所述的超声振动系统安装在所述的振子安装板（10）上，所述的工具头（21）为圆柱形且插入所述的注射模具的塑化孔（15）内。

2.根据权利要求1所述的无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置，其特征在于：所述的注射推板（9）和振子安装板（10）中安装有导套（24），所述的导套（24）滑动套装在所述的导杆（3）上，所述的导杆（3）与所述的导套（24）之间为间隙配合。

3.根据权利要求1或2所述的无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置，其特征在于：所述的注射模具的塑化衬套（17）与所述的工具头（21）之间为间隙配合。

4.使用权利要求1所述的无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置的成型方法，其特征在于：包括以下步骤：

第一步，开启合模顶出系统的合模液压缸使注射模具闭合；

第四步，成型后待聚合物制件冷却；

第五步，利用合模顶出系统的顶出液压缸完成模具开模和制件顶出。

5.根据权利要求4所述的使用无螺杆超声波熔融塑化聚合物微量注射成型装置的成型方法，其特征在于：所述的超声振动系统的超声波发生器工作频率为15～40KHz，功率为0～1000W，工具头振幅为10～100μm。